数字图像压缩编码教学课件PPT.ppt
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1、第五章 数字图像的压缩编码,5.1 概述 5.2 预测编码 5.3 统计编码 5.4 变换编码 5.5 位平面编码 5.6 静止图像压缩编码实例 5.7 图像压缩的国际标准简介,5.1 概述,5.1.1 幅度特征5.1.2 直方图特征5.1.3 变换系数特征,数字图像处理过程,图像变换,图像增强,灰度分割,边缘检测,区域分割,图像特征,图像恢复,图像描述,图像分析,5.1 概述,问题1:数字图像的特点?数据量大:5125128bit256KB 256KB25帧/秒6400KB=6.25MB占用的频带较宽:电视图像的带宽56MHz,而语言带宽4KHz,频带越宽,技术实现难度越大像素相关性大:压缩
2、潜力大评价受人的影响大,5.1 概述,图像的特点 数据量大,为其存储、传输带来困难,需压缩 例:电话线传输速率一般为56kbit/s(波特率)一幅彩色图像64048024bit=7Mbit大小 1传输一幅图像:时间约2分钟左右 如压缩20倍,传一幅图6s左右,可以接受,实用 2实时传送:64048024bit25帧/s=175Mbit/s,时间为50min左右,5.1 概述,实时,要专用信道(卫星、微波网、专线网等技术)另外,大量资料需存储(遥感、医学CT、MR),4如果以200bpi的分辨率传输,一张A4稿纸内容的数 据量为(200210/25.4)(200297/25.4bit)=3866
3、948 bit,需要传送的时间是67s,340G硬盘,40000MB8175Mbit/s=约30min,5.1 概述,图像的数据量特别大,同时现在对图像需求的增长超过了网络带宽的限制,所以压缩是图像传输和存储的一个关键技术由于图像压缩的巨大商业潜力,激励着人们提高现有的技术或发现新的技术,5.1.1 图像压缩编码的必要性,火星腐蚀.jpg400400,10.9KB,原图像数据468KB,debbie.bmpBMP是一种与设备无关的位图格式。256256,65KB 一般采用非压缩模式,5.1.1 图像压缩编码的必要性,2000年5月植被指数遥感图.bmp,原图像数据9767202MB,5.1.1
4、 图像压缩编码的必要性,Buaa.jpg,0.98MB,原图像数据190015608.5MB,5.1.1 图像压缩编码的必要性,Water.tiff,640480,905KB,无损,5.1.1 图像压缩编码的必要性,GIF(Graphics Interchange Format)是由为了方便网络传送图像数据而制定的一种图像文件格式,主要采用无损数据压缩方法中压缩效率较高的LZW(字典压缩)算法。214155 12帧 43.1KB原图像数据1166KB,5.1.1 图像压缩编码的必要性,PNG是Fireworks的文件格式,专门针对网页设计的一种无损压缩图像文件格式。PNG使用从LZW派生的无损
5、数据压缩算法。1024768 1.62MB 原图像数据2.36MB,5.1.1 图像压缩编码的必要性,AVI(Audio Video Interleave)同样是以AVI为后缀的视频文件,其采用的压缩算法可能不同,需要相应的解压软件才能识别和回放该AVI文件 AVI文件目前主要应用在多媒体光盘上,用来保存电影、电视等各种影像信息,有时也出现在Internet上,供用户下载、欣赏新影片的精彩片断。,视频大小:1280720 帧率:29.915fps 持续时间:30.854s 总帧数:923f原始码流:661672kbit/s 视频平均码流:4644kbit/s 压缩比:142.5,5.1.1 图
6、像压缩编码的必要性,ASF是ADVANCED STEAMING FORMAT的缩写。它是一种采用流式传输方式在Internet播放的媒体格式,它可以将整个媒体文件分压成一个个的数据包,再由视频服务器向用户计算机进行连续、实时的传送。,视频大小:640480 帧率:25fps 持续时间:32.04s 总帧数:801f原始码流:184320kbit/s 视频平均码流:847kbit/s 压缩比:217.6,5.1.1 图像压缩编码的必要性,WMV是一种ASF格式升级延伸来得。在同等视频质量下,WMV格式的体积非常小,因此很适合在网上播放和传输。WMV格式的主要优点包括:本地或网络回放、可扩充的媒体
7、类型、部件下载、可伸缩的媒体类型、流的优先级化、多语言支持、环境独立性、丰富的流间关系以及扩展性等。,视频大小:640480 帧率:23.976fps 持续时间:40.04s 总帧数:960f原始码流:176770kbit/s 视频平均码流:828kbit/s 压缩比:213.5,5.1.1 图像压缩编码的必要性,RM格式:Real Networks公司所制定的音频视频压缩规范称为Real Media,主要用来在低速率的广域网上实时传输活动视频影像,可以根据网络数据传输速率的不同而采用不同的压缩比率,从而实现影像数据的实时传送和实时播放。优点:可以把比较大的电影压缩成比较小的文件。缺点:文件模
8、糊不清,没有收藏价值。,5.1.1 图像压缩编码的必要性,RMVB格式:这是一种由RM视频格式升级延伸出的新视频格式,比RM多了VB两字,在这里VB是VBR(Variable Bit Rate-可变比特率)的缩写。打破了原先RM格式那种平均压缩采样的方式,在保证平均压缩比的基础上合理利用比特率资源,在保证了静止画面质量的前提下,大幅地提高了运动图像的画面质量。要想播放这种视频格式,可以使用RealOne Player2.0或RealPlayer8.0加RealVideo9.0以上版本的解码器形式进行播放。,视频大小:640256 帧率:25fps 持续时间:28.48s 总帧数:712f 原始
9、码流:98304kbit/s 视频平均码流:605.7kbit/s 压缩比:162.3,5.1.1 图像压缩编码的必要性,MOV是美国Apple公司开发的一种视频格式,播放器是QuickTime Player。具有较高的压缩比率和较完美的视频清晰度等特点。MOV也可以作为一种流文件格式。QuickTime能够通过Internet提供实时的数字化信息流、工作流与文件回放功能,视频大小:480288 帧率:23.98fps 持续时间:90.05s 总帧数:2159f原始码流:79546.6kbit/s 视频平均码流:616.58kbit/s 压缩比:129.0,5.1.1 图像压缩编码的必要性,图
10、像通信系统模型,5.1.1 图像压缩编码的必要性,总之,大数据量的图像信息会给存储器的存储容量、通信干线信道的带宽以及计算机的处理速度增加极大的压力。单纯靠增加存储器容量,提高信道带宽以及计算机的处理速度等方法来解决这个问题是不现实的,这时就要考虑压缩。因此,图像数据在传输和存储中,数据的压缩都是必不可少的。,5.1.1 图像压缩编码的必要性,5.1.2 图像压缩编码的可能性,1.数字图像本身的特征带来数据压缩的可能性 1)空域冗余 也称为空间冗余或几何冗余,是一种与像素间相关性直接联系的数据冗余 2)时域冗余 又称时间冗余。视频序列每秒有25-30帧图像,连续播放,相邻帧之间的时间间隔很小;
11、同时实际生活中的运动物体具有运动一致性,使得视频序列图像之间有很强的相关性,3)频域冗余 将空域的图像变换到频域中,使得大量的信息能用较少的数据来表示,从而达到压缩的目的 4)信息熵冗余 图像中像素灰度出现的不均匀性,造成图像信息熵冗余。即用同样长度比特表示每一个灰度,则必然存在冗余。若将出现概率大的灰度级用长度较短的码表示,将出现概率小的灰度级用长度较长的码表示,有可能使编码总长度下降,5.1.2 图像压缩编码的可能性,2应用环境允许图像有一定程度失真 1)接收端图像设备分辨率较低,则可降低图像分辨率 2)用户所关心的图像区域有限,可对其余部分图像采 用空间和灰级上的粗化 3)根据人的视觉特
12、性对不敏感区进行降分辨率编码(视觉冗余),5.1.2 图像压缩编码的可能性,图像中数据冗余的例子你的妻子,Helen,将于明天晚上6点零5分在上海的虹桥机场接你。(23*2+10=56个半角字符)你的妻子将于明天晚上 6点零5分在虹桥机场接你。(20*2+3=43个半角字符)Helen将于明晚6点在虹桥机场接你。(12*2+7=31个半角字符),5.1.2 图像压缩编码的可能性,描述语言1“这是一幅 22的图像,图像的第一个像素是红的,第二个像素是红的,第三个像素是红的,第四个像素是红的”。,2“这是一幅22的图像,整幅图都是红色的”,整理图像的描述方法可以达到压缩的目的,5.1.2 图像压缩
13、编码的可能性,图像无损压缩的原理,从原来的1638bit=284bit 压缩为:(1+3)8bit=32bit,5.1.2 图像压缩编码的可能性,图像有损压缩的原理,25,34,5.1.2 图像压缩编码的可能性,实际图像中冗余信息的表现(灰度图),5.1.2 图像压缩编码的可能性,图像冗余信息分析结论由于一幅图像存在数据冗余和主观视觉冗余,压缩方式从这两方面着手来开展,2)主观视觉冗余:忽略一些视觉不太明显的微小差异,可以进行所谓的“有损”压缩,1)数据冗余:将图像信息的描述方式改变之后,压缩掉这些冗余。如统计冗余度、空域冗余度、时域冗余度等,5.1.2 图像压缩编码的可能性,5.1.3 图像
14、压缩编码的分类,图像数字化关键是编码 压缩编码:在满足一定图像质量前提下,能获得减少数据量的编码,研究处理的对象 数据的物理容量 传输某个指定数据序列所需的时间 传输某个指定数据序列所限定的频带宽度,5.1.3 图像压缩编码的分类,按压缩技术所依据和使用的数据理论和计算方法进行分类:统计编码(Statistical Coding)预测编码(Predict Coding)变换编码(Transform coding),5.1.3 图像压缩编码的分类,冗余度压缩(Redundancy Reduction)完全除去或尽量除去原数据中重复和冗余的部分,保 证不丢失有用信息,从而保证被压缩了的数据还原后与
15、压缩前的原数据完全一致,可逆压缩又称无失真编码,用于文本、程序等。,2按压缩过程的可逆性进行分类,熵压缩(Entropy Compression)不可逆,在其压缩过程中,会失掉一部分信息,又叫有损压缩,5.1.3 图像压缩编码的分类,3按压缩方法进行分类,静图:静止图像(要求质量高)动图:活动的序列图像(相对质量要求低,压缩 倍数要高),5.1.3 图像压缩编码的分类,4按失真与否进行分类 无失真压缩:经压缩后再恢复图像与原图像无任何区别,一般压缩倍数 2 有限失真压缩:单帧(静)420倍。图像序列(x、y、t)50200倍,5.1.3 图像压缩编码的分类,7从处理图像的维数出发 行内编码 帧
16、内编码 帧间编码,5从图像的光谱特征出发 单色图像编码 彩色图像编码 多光谱图像编码,6从图像的灰度层次上 多灰度编码 二值图像编码,5.1.3 图像压缩编码的分类,5.1.4 压缩编码系统评价,1图像编码压缩名词术语(1)熵(Entropy)按信息论中信源信息熵的定义:出现的概 率 H表示其像素灰度比特数的统计平均值,即给出了对此输入灰度级集合进行编码时所需要的平均位数的下限。,(2)平均码字长度:,5.1.4 压缩编码系统评价,(3)编码效率,(4)压缩比,5.1.4 压缩编码系统评价,其它图像压缩的技术指标:a保真度与用途有关,例如侦察与体育比赛关心 内容不同b误码扩散程度c实时性与压缩
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